Realizzazione di un modello di router ottico in ambiente open source.

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Realizzazione di un modello di router ottico in ambiente open source.

  1. 1. Università degli Studi di Bologna Facoltà di Ingegneria Corso di Laurea in Ingegneria Informatica Reti di Telecomunicazioni LS Realizzazione di un modello di router ottico in ambiente open sourceTesi di Laurea di: Relatore:Raul Cafini Prof. Ing. Carla Raffaelli Correlatori: Dott. Ing. Walter Cerroni Dott. Ing. Michele Savi Sessione terza Anno Accademico 2008/2009
  2. 2. Parole chiave: Reti Ottiche Multi-granular switching Optical Packet Switching Router programmabile Click! Modular Router LinuxD.E.I.S., Dipartimento di Elettronica, Informatica e Sistemistica.Università di Bologna.La tesi è scritta in L TEX 2ε , utilizzando come testo di riferimento [1]. ALa stampa è in PostScript.Le immagini sono create in Adobe R Photoshop R Elements 2.0.Adobe R Photoshop R Elements è un marchio registrato Adobe R SystemsInc.
  3. 3. Ai compagni di viaggio, tesoro più grande di questa esperienza,con la speranza di condividere insieme nuove mete.
  4. 4. Aneddoto Mi lamentavo con mia madre di quanto fosse dicile e spaventoso quellesame alluniversità. Lei si inclinò verso di me, mi diede un buetto sulle spalle e mi disse: Sappiamo bene come ti senti, tesoro, ma ricorda: tuo padre alla tua età combatteva contro i tedeschi. da The last lecture. Randy Pausch1 .1 Randy Pausch (Baltimore, 23 ottobre 1960 Chesapeake, 25 luglio 2008)
  5. 5. IndiceIndice viiElenco delle gure xiElenco delle tabelle xiiiIntroduzione 11 Le reti ottiche 1 1.1 Le bre ottiche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.1.1 Composizione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.1.2 Principio di funzionamento . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1.2 Confronto con altri mezzi trasmissivi . . . . . . . . . . . . . . . 3 1.3 La comunicazione dei dati su bra ottica . . . . . . . . . . . . . 4 1.3.1 Finestre di trasmissione . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 1.3.2 Tecniche di multiplazione . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 1.3.3 Wavelength Division Multiplexing (WDM) . . . . . . . . 8 1.4 Principi di commutazione ottica . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 1.4.1 Paradigmi di commutazione . . . . . . . . . . . . . . . . 12 1.5 Optical Packet Switching (OPS) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 1.5.1 Packet Switching Scenario . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 1.5.2 Optical Label Switching OLS . . . . . . . . . . . . . . . 15 1.5.3 Il pacchetto ottico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 1.5.4 Categorie di reti OPS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 1.5.5 Content Resolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 1.5.6 Riessioni sulluso di OPS . . . . . . . . . . . . . . . . . 192 Architetture per router ottici 21 2.1 Generica architettura di un router ottico . . . . . . . . . . . . . 22 2.1.1 Input Interface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 2.1.2 Control Unit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 2.1.3 Buer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
  6. 6. viii INDICE 2.1.4 Switching Matrix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 2.1.5 Output Interfaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 2.2 La matrice di commutazione ottica . . . . . . . . . . . . . . . . 25 2.2.1 Erbium-Doped Fiber Ampliers (EDFA) . . . . . . . . . 25 2.2.2 WDM Demultiplexer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 2.2.3 Fiber Delay Line (FDL) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 2.2.4 Wavelength Converter (WC) . . . . . . . . . . . . . . . . 27 2.2.5 Splitter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 2.2.6 Switches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 2.2.7 WDM Multiplexer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 2.2.8 Combiner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 2.3 Shared Architectures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 2.3.1 Shared-Per-Node (SPN) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 2.3.2 Shared-Per-Link (SPL) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 2.3.3 Shared-Per-Wavelength (SPW) . . . . . . . . . . . . . . 31 2.4 Larchitettura Broadcast-and-Select . . . . . . . . . . . . . . . . 333 Un modello software di router ottico 35 3.1 Architetture multi-granulari . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 3.2 Larchitettura proposta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 3.2.1 Lestensione per i paradigmi OCS e OBS . . . . . . . . . 39 3.3 Tecniche di valutazione di una architettura . . . . . . . . . . . . 39 3.3.1 La simulazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 3.3.2 Lemulazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 3.4 Il software di programmazione Click! . . . . . . . . . . . . . . 41 3.4.1 Introduzione al Click! . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 3.4.2 Elementi, connessioni e pacchetti . . . . . . . . . . . . . 42 3.4.3 Il linguaggio e le congurazioni . . . . . . . . . . . . . . 43 3.5 Implementazione software della architettura . . . . . . . . . . . 45 3.5.1 Emulazione della architettura . . . . . . . . . . . . . . . 45 3.5.2 Analisi ed emulazione dei livelli di potenza . . . . . . . . 45 3.5.3 Implementazione basata sul software Click! . . . . . . . 46 3.6 Control Plane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 3.6.1 OCS Signaling Channel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 3.6.2 OBS Control Channel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 3.6.3 Control Element (CE) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 3.6.4 Forwarding Element (FE) . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 3.6.5 Forwarding Module (FM) OPS . . . . . . . . . . . . . . 51 3.7 Data Plane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 3.7.1 Optical Source . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
  7. 7. INDICE ix 3.7.2 Input Fiber (IF) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 3.7.3 HeaderTap (HT) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 3.7.4 OEConverter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 3.7.5 Switching Matrix (SM) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 3.7.6 EOConverter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 3.7.7 NewHeader o NH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 3.7.8 Output Fiber (OF) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 3.8 Comportamento del modello . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 3.8.1 Analisi dei punti di contesa . . . . . . . . . . . . . . . . 58 3.8.2 Analisi del traco attraverso il nodo . . . . . . . . . . . 584 Test e valutazioni sul modello 67 4.1 La piattaforma hardware di test . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 4.1.1 La distribuzione del traco . . . . . . . . . . . . . . . . 68 4.2 Le prestazioni misurate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 4.2.1 Packet Loss Probability (PLP) . . . . . . . . . . . . . . . 69 4.2.2 Tempo di processamento elettronico . . . . . . . . . . . . 69 4.3 Test e risultati . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 4.3.1 Lo script di lancio dei test . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 4.3.2 Test I . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 4.3.3 Test IIa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 4.3.4 Test IIb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 4.3.5 Test III . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 4.4 Confronto sui test di valutazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82Conclusioni 84 4.5 Risultati ottenuti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 4.6 Sviluppi futuri . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 4.6.1 Riduzione delle tempistiche di emulazione . . . . . . . . 85 4.6.2 Implementazione della multi-granularità . . . . . . . . . 86 4.6.3 Implementazione di un modello reale del consumo di potenza . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 4.7 Un pò di numeri . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86A Appendice A: Il software Click! Modular Router 87 A.1 Introduzione a Click! . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 A.2 Architettura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 A.2.1 Elementi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 A.2.2 Connessioni . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 A.3 Pacchetti Click . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 A.4 Linguaggio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
  8. 8. x INDICE A.4.1 Sintassi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92B Appendice B: Installazione in laboratorio 93 B.1 Installazione delle macchine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 B.2 Installazione del sistema operativo . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 B.2.1 Ottimizzazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 B.2.2 Installazione delle dipendenze . . . . . . . . . . . . . . . 94 B.3 Installazione del software Click! . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 B.3.1 Installazione di Clicky GUI . . . . . . . . . . . . . . . . 96Ringraziamenti 99Bibliograa 103Elenco degli acronimi 107
  9. 9. Elenco delle gure 1.1 Un fascio di bre ottiche[2]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1.2 Sezione di un cavo in Fibra Ottica: 1 - Core, 2 - Cladding, 3 - Buer, 4 - Jacket [2]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1.3 Tre esempi di un raggio di luce che dallinterno di una bra di si- licio colpisce il conne aria/silicio con diversi angoli di incidenza, no allottenimento della riessione totale. . . . . . . . . . . . . 3 1.4 Principio di funzionamento di una bra ottica multimodale [2] . 5 1.5 Dierenza tra bre ottiche multimodali (Step Index e Graded Index) e monomodali (o Single Mode) [2] . . . . . . . . . . . . . 5 1.6 Relazione tra anni di produzione delle bre ottiche e relative caratteristiche[21]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 1.7 Finestre di trasmissione e lunghezze donda [2] . . . . . . . . . . 7 1.8 Lo spettro elettromagnetico, notare la posizione delle bre ottiche[2] 9 1.9 Tecnica di multiplazione WDM su bra ottica. . . . . . . . . . . 10 1.10 Esempio di scenario tipico della commutazione a pacchetti. . . . 14 1.11 Esempio di rete Optical Packet Switching (OPS) . . . . . . . . . 15 1.12 Modulazione della etichetta nel pacchetto ottico [18] . . . . . . . 16 1.13 Struttura del pacchetto ottico secondo proposta OPATM/KEOPS 17 2.1 Una generica architettura per router ottici . . . . . . . . . . . . 22 2.2 Simbolo graco di un amplicatore EDFA . . . . . . . . . . . . 26 2.3 Simbolo graco di un demultiplatore WDM . . . . . . . . . . . 26 2.4 Simbolo graco di una FDL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 2.5 Simbolo graco di un convertitore WC . . . . . . . . . . . . . . 27 2.6 Simbolo graco di uno splitter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 2.7 Simbolo graco di un SOA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 2.8 Simbolo graco di un MEMS ad uso ottico . . . . . . . . . . . . 29 2.9 Simbolo graco di un multiplatore WDM . . . . . . . . . . . . . 30 2.10 Simbolo graco di un combiner . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 2.11 Architettura di riferimento SPW . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 2.12 Tipologie di architettura Broadcast-and-Select. . . . . . . . . . . 33
  10. 10. xii ELENCO DELLE FIGURE 3.1 La programmable node architecture basata sulla raccomandazione ForCES come mostrata in [5] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 3.2 Schema generale dellarchitettura proposta . . . . . . . . . . . . 38 3.3 Logo del software Click Modular Router . . . . . . . . . . . . . 41 3.4 Schema rappresentativo di un pacchetto Click! . . . . . . . . . 43 3.5 Implementazione software della architettura proposta mediante software Click! . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 3.6 Il piano di controllo dellarchitettura in ambiente Click! . . . . 48 3.7 Elemento composto ControlElement . . . . . . . . . . . . . . . . 49 3.8 Elemento composto Click! ForwardingElement . . . . . . . . . . 50 3.9 Elemento composto Click! ForwardingModuleOPS . . . . . . . . 51 3.10 Il piano dati dellarchitettura in ambiente Click! . . . . . . . . 52 3.11 Elemento Click! OpticalSource . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 3.12 Elemento Click! HeaderTap . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 3.13 Dettaglio della Switching Matrix . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 3.14 WDM Demultiplexer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 3.15 Fiber Delay Line . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 3.16 Tunable Wavelength Converter . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 3.17 WDM Multiplexer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 3.18 Schema generale di funzionamento . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 3.19 Prima fase del processamento dei pacchetti. . . . . . . . . . . . 61 3.20 Seconda fase del processamento dei pacchetti. . . . . . . . . . . 61 3.21 Terza fase del processamento dei pacchetti. . . . . . . . . . . . . 62 3.22 Quarta fase del processamento dei pacchetti. . . . . . . . . . . . 63 3.23 La matrice di commutazione in dettaglio . . . . . . . . . . . . . 65 3.24 Ultima fase del processamento dei pacchetti. . . . . . . . . . . . 66 4.1 Distribuzione bernoulliana con q = 0.8 . . . . . . . . . . . . . . 68 4.2 Confronto delle curve di simulazione ed emulazione per il TestI . 73 4.3 Confronto delle curve di simulazione ed emulazione per il TestIIa 77 4.4 Confronto delle curve di simulazione ed emulazione per il TestIIb 78 4.5 Confronto delle curve di simulazione ed emulazione dei TestIIa eb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 4.6 Confronto delle curve di simulazione ed emulazione per il TestIII 81 4.7 Confronto delle curve di simulazione ed emulazione per i test . . 82 A.1 Logo del software Click Modular Router . . . . . . . . . . . . . 88 A.2 Una rappresentazione del pacchetto Click! . . . . . . . . . . . . 91 B.1 Il logo della distribuzione Fedora . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 B.2 Linterfaccia graca Clicky . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
  11. 11. Elenco delle tabelle 4.1 Risultati Test I - Simulazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 4.2 Risultati Test I - Emulazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 4.3 Risultati Test IIa - Simulazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 4.4 Risultati Test IIa - Emulazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 4.5 Risultati Test IIb - Simulazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 4.6 Risultati Test IIb - Emulazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 4.7 Risultati Test III - Simulazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 4.8 Risultati Test III - Emulazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 B.1 Pacchetti e dipendenze Click! . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
  12. 12. xiv ELENCO DELLE TABELLE
  13. 13. Introduzione Internet non è al passo con i tempi, ma con il futuro. Anonimo. Negli ultimi anni nel mondo della comunicazione, ed in particolare nelsettore informatico e della rete Internet, lo scenario globale su cui le modernetecnologie lavorano ogni giorno è in continua evoluzione. Da un lato la necessità di trasferire una sempre maggiore quantità di in-formazioni nel minor tempo possibile, dallaltro la crescita esponenziale degliutenti unita alla proliferazione di servizi con richieste in termini di banda e ve-locità sempre maggiori (ad esempio la fornitura di ussi dati audio e/o video)ha posto il problema tra i gestori della rete, i centri di ricerca e le aziende delsettore su come adattare linfrastrutura esistente ai nuovi requisiti. In questo senso il trasporto del traco su tecnologia ottica ha ricoperto unruolo di primo piano, in quanto è proprio grazie a questa tecnologia se oggiriusciamo a far fronte a questa enorme richiesta in termini di velocità, quantitàe qualità nella trasmissione delle informazioni sulla rete. Anche se le dorsali intercontinentali per telecomunicazioni si basano ormaida alcuni decenni su queste tecnologie, è solo a partire dalla scorsa decade,con lemergere di questi nuovi scenari, che si è cominciato a sfruttare a pienole potenzialità delle reti ottiche e a pensare a come trasportarle, grazie anchealla diminuzione dei costi di realizzazione e di posa, in ambienti metropolitanino a piccole realtà come enti o istituti. Tutte le problematiche del trasporto delle informazioni nel dominio ot-tico, il rispetto e la compatibilità verso i sistemi esistenti (ad esempio conle reti ATM o quelle basate su protocollo IP), il processamento delle infor-mazioni di instradamento ed inoltro, i colli di bottiglia e i limiti tecnologicinella realizzazione di alcuni componenti, altrimenti elementari nel dominioelettromagnetico, rappresentano un campo molto attivo della ricerca in questosettore.
  14. 14. 2 Introduzione Nel seguito introdurremo ed analizzeremo queste problematiche nei loroaspetti di rilievo, forniremo dei cenni sulla struttura e sul funzionamento basedei punti di accesso e smistamento delle informazioni, i router, che permet-tono linterconnessione di tali reti, e di alcune soluzioni che implementano letecnologie proposte. Una volta fornite queste nozioni, introdurremo una architettura per routerottici di tipo modulare, sviluppata presso il dipartimento da parte dei corre-latori di questo testo, la cui principale caratteristica consiste nellessere alta-mente ricongurabile, in modo da adattarsi a requisiti, anche futuri, come lamulti-granularità nella gestione del traco. Il lavoro di tesi consisterà dunque nella implementazione software di questasoluzione architetturale mediante luso di strumenti di programmazione mod-ulari e altamente congurabili. Dato inoltre lalto costo dei dispositivi baseper la manipolazione delle informazioni su bra (dai laser no ai convertitoridi lunghezza donda) il ne ultimo sarà quello di dimostrare la fattibilità dellarealizzazione di un vero e proprio banco di prova per architetture ottiche, ingrado di eseguire, con contenute limitazioni, su un comune hardware elettron-ico e che sia in grado di valutare le prestazioni e i beneci dei sistemi cheoperano nel dominio della luce, cercando di riprodurre il più fedelmente pos-sibile il comportamento di una matrice di commutazione ottica, contenendoperò i costi che derivano dalluso di veri dispositivi.
  15. 15. Capitolo 1Le reti ottiche Le stelle sono piccole fessure attraverso le quali fuoriesce la luce dellinnito. Confucio, losofo cinese. (551 a.C. - 479 a.C.) In questo capitolo introdurremo la tecnologia alla base delle comunicazioninel dominio ottico, analizzandone il principio di funzionamento, la compo-sizione, le tecniche di trasmissione dei dati e le ultime soluzioni lincrementodelle prestazioni e la riduzione dei costi.1.1 Le bre otticheLe bre ottiche sono lamenti di materiali vetrosi o polimerici, normalmentedisponibili sotto forma di cavi, realizzati in modo da poter condurre la luce.Sono classicate quindi come guide donda dielettriche, permettono cioè diconvogliare al loro interno un campo elettromagnetico di frequenza suciente-mente alta (in genere in prossimità dellinfrarosso) con perdite estremamentelimitate. Sono essibili, immuni ai disturbi elettrici ed alle condizioni atmos-feriche più estreme, e poco sensibili a variazioni di temperatura e per questiaspetti vengono comunemente impiegate nelle telecomunicazioni anche su gran-di distanze e nella fornitura di accessi di rete a larga banda (dai 10 Mbit/s alTbit/s usando le più ranate tecnologie di multiplazione)[2].1.1.1 ComposizioneOgni singola bra ottica è composta da due strati concentrici di materialetrasparente estremamente puro: un nucleo cilindrico centrale, detto core, ed
  16. 16. 2 Le reti ottiche Figura 1.1: Un fascio di bre ottiche[2].un mantello o cladding attorno ad esso. La bra ottica funziona come unaspecie di specchio tubolare, la luce che entra nel core ad un certo angolo (dettoangolo limite) si propaga mediante una serie di riessioni sulla supercie diseparazione fra i due materiali[2].Figura 1.2: Sezione di un cavo in Fibra Ottica: 1 - Core, 2 - Cladding, 3 -Buer, 4 - Jacket [2]. Nel silicio destinato alla produzione del core viene aggiunto del germanioin modo da aumentarne lindice di rifrazione senza variarne lattenuazione. Ilcladding invece ha un indice di rifrazione inferiore (ottenuto mediante drogag-gio al boro). Intorno a questi due strati vi è un mantello detto buer conuno spessore maggiore della lunghezza di smorzamento dellonda evanescente,caratteristica della luce trasmessa, in modo da catturare la luce che non vieneriessa nel core. Inne un guaina protettiva polimerica detta jacket ricopre iltutto per dare resistenza agli stress sici e alla corrosione ed evitare il contattofra la bra e lambiente esterno. Le bre ottiche possono essere realizzate inbra di vetro (che però dà luogo a fragilità e dicoltà nel caso di raccordi) oin polimeri (se costituita da una materia plastica, in tal caso risulta molto piùfacile da maneggiare e più resistente allo stress meccanico). Due tratti di bra
  17. 17. 1.2. Confronto con altri mezzi trasmissivi 3ottica dello stesso tipo possono essere giuntati mediante semplice fusione, chese ben eseguita mediante strumenti di precisione comporta una attenuazioneinferiore a 0,05 dB[2].1.1.2 Principio di funzionamentoUna descrizione approfondita e scientica del funzionamento delle bre ot-tiche richiederebbe nozioni di ottica quantistica ma semplicando e usandoun paragone di ottica classica, nelle bre ottiche avviene un fenomeno di ri-essione totale interna, per cui la discontinuità dellindice di rifrazione tra imateriali del nucleo e del mantello intrappola la radiazione luminosa nchéquesta mantiene un angolo abbastanza radente, in pratica nché la bra noncompie curve troppo brusche. Infatti quando un raggio luminoso passa da unmateriale (ad esempio il silicio fuso) ad un altro (ad esempio laria) questo sirifrange (ovvero si curva) sul conne tra i due materiali[2].Figura 1.3: Tre esempi di un raggio di luce che dallinterno di una bradi silicio colpisce il conne aria/silicio con diversi angoli di incidenza, noallottenimento della riessione totale. In gura sono mostrati tre esempi di un raggio di luce che dallinterno diuna bra colpisce il conne aria/silicio con diversi angoli di incidenza. Len-tità della rifrazione (curvatura) dipende dalle proprietà dei due materiali edin particolare dal loro indice di rifrazione. Per angoli di incidenza che super-ano un certo valore critico la luce rimane intrappolata nel silicio senza fug-gire nellaria, ottenendo la così detta riessione totale. Un segnale luminosopuò così propagarsi per chilometri allinterno della bra senza subire perditesignicative[2].1.2 Confronto con altri mezzi trasmissiviCome già accennato esistono parecchi vantaggi che privilegiano luso delle -bre rispetto ai cavi in rame nelle telecomunicazioni. In particolare luso dellatecnologia ottica garantisce una bassa attenuazione, il che rende possibile la
  18. 18. 4 Le reti ottichetrasmissione su lunga distanza senza ripetitori. Inoltre questa mette a dispo-sizione una banda molto ampia in grado di garantire una grande capacità ditrasporto oltre ad avere una pressochè totale immunità da interferenze elet-tromagnetiche, inclusi gli impulsi elettromagnetici nucleari (ma possono esseredanneggiate da radiazioni alfa e beta). Lalta resistenza elettrica rende pos-sibile usare le bre vicino ad equipaggiamenti ad alto potenziale, o tra sitia potenziale diverso anche grazie al peso e ingombro modesto. Un cavo dibra ottica, in quanto contiene più bre ottiche, è infatti solitamente moltopiù piccolo e leggero di un lo o cavo coassiale con simili capacità di canale.È più facile da maneggiare e da installare ed è ideale per le comunicazionisicure in quanto è molto dicile da intercettare e altrettanto facile da mon-itorare. Idealmente, le bre ottiche sono un mezzo di trasmissione perfetto,infatti oltre a non risentire in nessun modo di disturbi elettromagnetici o didiafonia, se strutturate adeguatamente per garantire la riessione totale delsegnale dingresso, permettono teoricamente di trasferire completamente lapotenza in ingresso nelluscita e lavorando con fenomeni sici ad elevatissimafrequenza (le onde luminose) sarebbero possibili velocità di trasmissione moltoelevate. In pratica, però, intervengono dei fattori sici che limitano la bandadi trasmissione possibile e causano delle perdite di potenza lungo la bra[2].1.3 La comunicazione dei dati su bra otticaUn sistema di comunicazione ottico è formato da tre componenti fondamentali:una sorgente luminosa (un Light Emitting Diode LED o un laser a semicon-duttore), un mezzo di trasmissione (la bra ottica) e un rilevatore (ad esempioun fotodiodo). Per convenzione si è stabilito che un impulso di luce corrispon-da al valore 1, mentre lassenza di luce indichi il valore 0. La sorgente diluce accetta in ingresso un qualsiasi segnale elettrico (binario), lo converte inuna serie di impulsi luminosi che si propagano attraverso il mezzo trasmissi-vo. Grazie alla sue proprietà di riessione totale, linformazione sotto formadi luce viaggia senza dispersione allinterno della bra. Allaltra estremità delmezzo trasmissivo vi è un rilevatore che, quando è colpito dalla luce, gen-era un impulso elettrico riconvertendo così linformazione dal dominio otticoa quello elettromagnetico. Nella gura precedente era rappresentato un so-lo raggio intrappolato nel mezzo di trasmissione, ma poichè tutti i raggi diluce che colpiscono linterfaccia con un angolo maggiore di quello critico (perla riessione totale) ee entro un cono di accettazione (per lingresso nella -bra) sono tutti riessi internamente, una bra può contenere molti raggi cherimbalzano ad angoli diversi. In questo caso si dice che ogni raggio ha una
  19. 19. 1.3. La comunicazione dei dati su bra ottica 5modalità diversa. Figura 1.4: Principio di funzionamento di una bra ottica multimodale [2] Allinterno di una bra ottica quindi il segnale può propagarsi in modorettilineo oppure essere riesso un numero molto elevato di volte. Distinguiamoquindi due tipologie base di bre: • Fibre ottiche monomodali: se il diametro della bra è ridotto a poche lunghezze donda al loro interno viaggia un solo raggio luminoso e la bra si comporta come una guida donda ovvero la luce può propagarsi solo in linea retta detta anche modo di ordine zero. • Fibre ottiche multimodali: al loro interno viaggiano più raggi lumi- nosi a dierenti angoli di incidenza, quindi consentono la propagazione di più modi (da qui il loro nome).Figura 1.5: Dierenza tra bre ottiche multimodali (Step Index e GradedIndex) e monomodali (o Single Mode) [2] Le bre multimodali permettono luso di dispositivi più economici, masubiscono il fenomeno della dispersione intermodale, per cui i diversi modi sipropagano a velocità leggermente diverse, e questo limita la distanza massima a
  20. 20. 6 Le reti ottichecui il segnale può essere ricevuto correttamente. Le bre monomodali di controhanno un prezzo molto più elevato rispetto alle multimodali, ma riescono acoprire distanze e a raggiungere velocità nettamente superiori[2].1.3.1 Finestre di trasmissioneNelle comunicazioni ottiche, lo spettro trasmissivo è descritto in termini dilunghezza donda (wavelength ) invece che di frequenza. Combinando i diversifenomeni di attenuazione, rifrazione, dispersione, vi sono delle nestre partico-larmente adatte alluso della trasmissione delle informazioni, con prestazioni ecosti crescenti. Nel corso degli anni infatti, grazie al ranamento del processoproduttivo si è arrivati alla costruzione di bre ottiche in grado di garantirebuone prestazioni in termini di attenuazione e ampiezza trasmissiva. Nelle breprodotte negli anni 70, come visibile in gura, si avevano caratteristiche pocoperformanti che lasciavano spazio alla denizione di una sola nestra trasmis-siva. Già negli anni 80 si è raggiunto un notevole miglioramento perfezionatonel decennio successivo con lintroduzione di ben tre nestre di trasmissione[2].Figura 1.6: Relazione tra anni di produzione delle bre ottiche e relativecaratteristiche[21]. Lattenuazione della luce nella bra è espressa solitamente in dB per chi-lometro lineare e si ricava dalla formula:
  21. 21. 1.3. La comunicazione dei dati su bra ottica 7 energia_trasmessa attenuazione = 10log10 energia_ricevuta Come accennato nelle moderne bre ottiche sono disponibili dalle 3 alle 4nestre di trasmissione poste dove le caratteristiche della bra con una luce aduna determinata lunghezza donda garantiscono la minima attenuazione perchilometro possibile[2]. Figura 1.7: Finestre di trasmissione e lunghezze donda [2] Queste nestre, come è possibile vedere nella gura, sono[2]: • Prima Finestra (rossa): 850 nm (nel campo del visibile), usata so- prattutto con economici laser a diodo con luce multimodale. Permette di realizzare collegamenti di 275 m su bre 62.5/125 e di 550 m su bre 50/125. • Seconda Finestra (verde): 1310 nm, usata con laser multimodali o monomodali. Permette di realizzare collegamenti di 5 o 10 km su bre monomodali. • Terza nestra (blu): 1550 nm, usata con laser monomodali. Ques- ta nestra permette di realizzare le distanze maggiori, compresi col- legamenti di 100 km con apparati relativamente economici. Sfruttando questa lunghezza donda, una buona bra monomodale raggiunge una attenuazione dellordine degli 0,2-0,25 dB/km. Tutte e tre le nestre o bande hanno ampiezze comprese tra i 25.000 e i30.000 GHz, la seconda e la terza nestra hanno buone proprietà di attenu-azione (meno del 5% di dispersione per chilometro) mentre la prima nestra ha
  22. 22. 8 Le reti otticheuna attenuazione più alta ma, a questa lunghezza donda, è possibile costruirei laser e lelettronica di supporto con luso dello stesso materiale per il dro-gaggio (arseniuro di gallio) risparmiando sui costi e semplicando il processoproduttivo[2].1.3.2 Tecniche di multiplazioneNelle telecomunicazioni la multiplazione (in inglese multiplexing ) è un mecca-nismo per cui la capacità disponibile di un collegamento viene condivisa tradiversi canali trasmissivi. Questo avviene combinando più segnali analogici oussi di dati digitali in un solo segnale trasmesso su un singolo collegamentosico, al ne di risparmiare nella comunicazione dei dati, e in particolare, diridurre il numero di linee di segnale e il numero di componenti. La capacitàdel collegamento può essere suddivisa con diversi meccanismi[2]: • a divisione di tempo o Time Division Multiplexing (TDM) • a divisione di frequenza o Frequency Division Multiplexing (FDM) • a divisione di lunghezza donda (o Wavelength Division Multiplexing (WDM) nelle comunicazioni ottiche) La multiplazione a divisione di tempo ci permette di frazionare sullasse deitempi luso del canale in modo da assegnare ad ogni risorsa un quanto di temposu cui può trasmettere, mentre la multiplazione a divisione di frequenza e dilunghezza donda, che è una forma particolare di multiplazione a divisione difrequenza in cui ogni canale trasmissivo viene inviato su una diversa lunghezzadonda, e i canali possono essere combinati e separati restando nel dominioottico, ovvero senza riconvertirli in segnali digitali[2].1.3.3 Wavelength Division Multiplexing (WDM)Questo tipo di multiplazione è utilizzato propriamente nei sistemi di comuni-cazione ottica. E una variazione della multiplazione a divisione di frequenzadalla quale dierisce sia perchè viene attuata a frequenze molto più alte (ovveroquelle proprie dei fasci di luce usati nelle bre ottiche) sia perchè per la sud-divisione ci si ada ad un sistema (ottico) completamente passivo (e quindimolto adabile) basato su un reticolo di dirazione[2][7]. Supponiamo di volertrasmettere 4 segnali ottici che trasportano ognuno energia ad una dierentelunghezza donda su un unica bra. Questi segnali, mediante lazione di uncombinatore ottico (che applica la multiplazione WDM), vengono uniti in un
  23. 23. 1.3. La comunicazione dei dati su bra ottica 9Figura 1.8: Lo spettro elettromagnetico, notare la posizione delle breottiche[2]unico spettro in modo da viaggiare su di un unica bra ottica, verso una des-tinzione lontana anche migliaia di chilometri. Al suo arrivo la bra è suddivisain tante copie quante sono i segnali mediante uno splitter, poi viene ltratada un ltro che permette solo ad una determinata banda di passare ottenendocosì i segnali originali. Per modulare diversi canali su una stessa bra otticasi usano diverse portanti di dierenti lunghezze donda, una per ogni canale,e per la singola portante si usa la modulazione di intensità. In questo modoè possibile sfruttare la grande banda ottica disponibile. In gergo, le lunghezzedonda vengono anche chiamate colori e la trasmissione WDM viene detta col-orata, anche se in realtà le lunghezze donda usate non sono nel campo delvisibile. Un sistema WDM usa un multiplexer in trasmissione per inviare piùsegnali insieme, e un demultiplexer in ricezione per separarli. I dispositivi diltraggio ottico usati nei modulatori-demodulatori sono di solito degli interfer-ometri di Fabry-Perot a stato solido e singola frequenza, nella forma di vetroottico ricoperto da lm sottile. I sistemi moderni possono gestire no a 160segnali e possono quindi moltiplicare la banda di una bra a 10 Gbit/s no aun limite teorico di oltre 1.6 Tbit/s su una singola coppia di bre. I sistemi WDM sono apprezzati dalle società telefoniche perché consentonodi aumentare la banda disponibile in una rete senza dover stendere altra braottica. Usando il WDM e gli amplicatori ottici, è possibile aggiornare pro-gressivamente la tecnologia degli apparati di rete senza essere costretti a rifaretotalmente la rete backbone. La capacità di banda di un certo collegamentopuò essere aumentata semplicemente aggiornando i multiplatori e demultipla-tori a ciascun capo del collegamento. Essendo le reti ottiche basate su WDMin contatto ai loro estremi con reti normali basate su segnali elettromagneti-
  24. 24. 10 Le reti ottiche Figura 1.9: Tecnica di multiplazione WDM su bra ottica.ci, si renderà necessario ad un tal punto convertire il contenuto informativonel dominio lettromagnetico. Questo è spesso realizzato compiendo una se-rie di conversioni Optical-Electrical-Optical (OEO) alle estremità della retedi trasporto, permettendo così linteroperabilità con gli esistenti apparati coninterfacce ottiche. Lenergia su una singola bra WDM è generalmente ampiapochi GHz in quanto non è ancor oggi possibile eettuare una conversioneOEO in tempi più rapidi. I sistemi WDM si possono suddividere, in base alla separazione tra lediverse lunghezze donda usate, in: • Conventional WDM o semplicemente WDM: forniscono no a 16 canali nella terza nestra di trasmissione (la banda C) delle bre in silicio, intorno alla lunghezza donda di 1550 nm, con una separazione tra i canali di 100 Ghz. • Dense WDM o DWDM: usa la stessa nestra di trasmissione ma con minore separazione tra i canali, arrivando a 31 canali a intervalli di 50 GHz; sistemi a 62 canali e intervalli di 25 GHz sono a volte chiamati ultra densi. Nuove possibilità di amplicazione (amplicazione Raman) consentono lutilizzo anche delle lunghezze donda nella banda L, tra i 1570 nm e i 1610 nm, circa raddoppiando il numero di canali. • Coarse WDM o CWDM: letteralmente a `grana grossa, la sepa- razione tra le lunghezze donda usate è maggiore che nel convenzionale e
  25. 25. 1.4. Principi di commutazione ottica 11 nel DWDM, in modo da poter utilizzare componenti ottici meno sosti- cati e quindi meno costosi. Per continuare a fornire 16 canali su una sola bra, il CWDM usa interamente la banda di frequenze compresa tra la seconda e la terza nestra di trasmissione (1310/1550 nm rispettiva- mente) in cui, oltre alle due nestre (la nestra a minima dispersione e quella a minima attenuazione) è compresa anche larea critica dove può aversi lo scattering (dispersione).La tecnica WDM è semplice e il suo principio è noto da tempo, ma ha avutoapplicazione pratica solo in tempi recenti. Il problema principale era la man-canza di amplicatori adatti. Da quando sono in uso le bre ottiche, lunicomodo per superare lunghe distanze era la rigenerazione del segnale attraversoi rigeneratori optoelettronici. In un rigeneratore optoelettronico gli impulsiindeboliti vengono trasformati da un rivelatore fotoelettrico e, debitamenteamplicati, modulano un trasmettitore laser. Il problema è che il rivelatorefotoelettrico non distingue una lunghezza donda da unaltra. La nuova in-venzione che ha permesso il superamento di questa dicoltà è la tecnica chepermette lamplicazione della quantità di luce del segnale, senza bisogno ditrasformarlo in segnale elettrico. Questi congegni, detti Erbium-Doped FiberAmpliers (EDFA) o amplicatori a bra drogata con erbio, vennero svilup-pati verso la ne degli anni 80 ed hanno reso possibile la rivoluzione basatasu questa tecnica. La multiplazione su lunghezza donda è emersa al momentogiusto, quando i vecchi cavi in bra cominciavano ad essere saturi. Lesigenzadi risparmiare tempo e denaro ha causato una rapida diusione della tecnicaWDM nellindustria delle telecomunicazioni. Ha evitato la spesa connessa conla posa di nuovi cavi semplicemente pompando altre lunghezze donda nellebre esistenti. Alla metà degli anni 90, le aziende hanno iniziato ad usaresistemi che trasmettono su 4 lunghezze donda e poco dopo sono salite ad 8 epoi a 16 (1996). Nel 1997 si è saliti a 32 e 40 bande, larghe appena 0.8 nmciascuna. Nel 1998 si è giunti ad 80 canali. Visto che la domanda di larghezzadi banda non sembra voler rallentare, si sta pensando al modo di stipare unnumero maggiore di lunghezze donda in ogni bra impiegando ad esempio treamplicatori allerbio ottimizzati per bande separate fra 1525 e 1605 nm[2][7].1.4 Principi di commutazione otticaCome accennato nellintroduzione, i requisiti futuri nelle speciche di costruzio-ne delle reti di telecomunicazioni sono molteplici e dierenti, ma molti conver-gono con la richiesta di una capacità maggiore in termini di banda, essibilità,robustezza, riduzione dei costi e di fornitura di energia, come di equipaggia-
  26. 26. 12 Le reti ottichemento e manutenzione. Tutto questo ha orientato il mondo delle telecomu-nicazioni verso la comunicazione basata su backbone a bre ottiche, dato chequesto mezzo trasmissivo raccoglieva ampiamente la maggior parte di questirequisiti. Scelta la tecnologia di base occorre stabilire come le informazioni per-meranno la rete e come risolvere il percorso dal mittente al destinatario. Lacommutazione nelle telecomunicazioni riguarda i concetti generali sui quali èbasato il funzionamento logico dei nodi di rete, ovvero è unoperazione allinter-no di un nodo che tratta linformazione da trasmettere, anché sia indirizzataverso la destinazione desiderata. Una commutazione è attuata per mezzo dellefunzioni dinstradamento o routing (decisionale) e di attraversamento o for-warding (attuativa). Il framework su cui si basano oggi le trasmissioni dati subra ottica prevedono una comunicazione punto-a-punto e funzioni di inoltrodi tipo packet switching a controllo (ancora) elettronico, questo per una serie diproblematiche legate alla dicoltà di implementare algoritmi di routing rima-nendo nel dominio ottico. Infatti al giorno doggi nella tecnologia ottica sonoprincipalmente due gli ostacoli sui quali la ricerca sta concentrando i proprisforzi: • Non è possibile avere delle memorie sulle linee ottiche. • La commutazione ottica è dispendiosa e complessa.Vedremo di seguito come risolvere questi problemi e realizzare una strutturaper luso della bra ottica nelle comunicazioni a pacchetto.1.4.1 Paradigmi di commutazioneCome abbiamo accennato la commutazione è una potenzialità di una rete dicostruire, mantenere e abbattere un collegamento tra i nodi che la compongono.Esistono due grandi famiglie che si dierenziano per le modalità in cui lacommutazione avviene: • Commutazione di circuito o multiplazione deterministica • Commutazione di pacchetto o multiplazione statistica Mentre in una rete a commutazione di circuito la capacità del canaletrasmissivo è interamente dedicata ad una specica comunicazione, la com-mutazione di pacchetto si rivela molto più eciente nonostante la maggiorquantità di dati inviata, in quanto i canali sici sono utilizzati solo per il tem-po strettamente necessario. Inoltre, poiché ogni pacchetto porta con sé la suaidenticazione, una rete può trasportare nello stesso tempo pacchetti prove-nienti da sorgenti dierenti. La commutazione di pacchetto permette quindi
  27. 27. 1.4. Principi di commutazione ottica 13a più utenti di inviare informazioni attraverso la rete in modo eciente e si-multaneo, risparmiando tempo e costi mediante la condivisione di uno stessocanale trasmissivo (cavo elettrico, etere, bra ottica, . . . ). Storicamente lacommutazione di pacchetto poneva qualche problema nel caso fosse necessariauna disponibilità garantita di banda o nelle trasmissioni real time : si pensi auna trasmissione video, dove le immagini arrivano con un usso costante. Algiorno doggi è però possibile aggiungere una priorità ai pacchetti per garantireche un numero suciente di essi venga inviato, a scapito di altri pacchetti chenon abbiano unurgenza specica, ad esempio, un le da trasferire[9]. In base a queste due grandi famiglie si sono deniti tre diversi paradigmidi commutazione ottica • Optical Circuit Switching (OCS) • Optical Packet Switching (OPS) • Optical Burst Switching (OBS)Optical Circuit Switching (OCS)Fa propria la commutazione di circuito in ambito ottico cercando di costruiredei percorsi tra il mittente ed il ricevente mediante delle procedure, che viag-giano su un canale di segnalazione fuori banda per la mediazione, la creazionee labbattimento della connessione.Optical Packet Switching (OPS)Trasposizione della commutazione di pacchetto in ambito ottico, in cui vi-aggiano pacchetti e informazioni di instradamento sulla stessa banda (nonesistono canali di segnalazione o controllo.Optical Burst Switching (OBS)Questo tipo di commutazione si trova tra la commutazione di circuito otti-co e la commutazione di pacchetto ottico. Opera a livello di sub-lunghezzadonda, il traco in ingresso dai client ai margini della rete viene aggregatoalla penetrazione della rete in base a un parametro particolare, comunementeper destinazione, tipo di servizio (TOS byte) la classe di servizio e qualità delservizio (ad esempio, secondo Diserv). Pertanto, al router edge OBS, codediverse rappresentano le varie destinazioni o la classe di servizi.
  28. 28. 14 Le reti ottiche Figura 1.10: Esempio di scenario tipico della commutazione a pacchetti.1.5 Optical Packet Switching (OPS)Vedremo ora in dettaglio il paradigma OPS analizzando in primis uno scenariotipico di utilizzo, mostrandone i punti di forza che ne hanno favorito lo sviluppoe la diusione.1.5.1 Packet Switching ScenarioSupponiamo di voler trasmettere un le da un host ad un altro attraverso unarete (ad esempio dallhost A allhost D). Il le viene suddiviso in pacchetti(segmenti blu) e vengono inseriti degli header ad ognuno di essi (segmentirossi) contenenti le informazioni sullhost destinazione da raggiungere. I pac-chetti viaggiano nella rete e in ogni nodo intermediario che incontrano vi è unatabella di inoltro (forwarding table ) che contiene linformazione riguardante ilpercorso che ogni pacchetto deve seguire per una determinata destinazione.Come abbiamo evidenziato, ricorriamo al packet switching perchè ci perme-tte una allocazione dinamica della banda (i collegamenti saranno occupati soloquando necessario ed esistono delle alternative routes quando si vericano con-gestioni) inoltre i pacchetti da dierenti sorgenti possono coesistere sulla stessarete permette di far lavorare terminali a dierenti bit rates [18]. Nelle reti MAN quindi generalmente i link tra i nodi sono realizzati me-diante luso di bre ottiche e i pacchetti che viaggiano al suo interno sonodei pacchetti ottici. Per utilizzare la commutazione di pacchetto è dunque
  29. 29. 1.5. Optical Packet Switching (OPS) 15 Figura 1.11: Esempio di rete Optical Packet Switching (OPS)necessaria una conversione di tipo Optical-Electrical-Optical (OEO) alle inter-facce per operare lo switching dei pacchetti. Questa operazione di conversionedal segnale ottico a quello elettronico genera un elevato overhead in quanto èuna operazione lenta per le tempistiche della rete ottica (quindi per essa pe-nalizzante) limitata nel numero di pacchetti processabili contemporaneamnetecostosa e complessa oltre ad introdurre un difetto proprio delle comunicazionielettriche come la diafonia (cross-talk) ovvero il rumore o interferenza elettro-magnetica che si può generare tra due cavi vicini di un circuito o apparato elet-tronico. Queste limitazioni nella conversione OEO degradano le performancedella bra diminuendone la banda trasmissiva[18]. La soluzione è individuata nella tecnica dell Optical label Switching (OLS)che permette di instradare i pacchetti ottici allinterno della rete di bra rima-nendo nel dominio ottico senza convertire il segnale nel campo elettromagneti-co. Si posiziona un etichetta (label ) sulla frequenza portante del pacchetto, cosìfacendo le informazioni di instradamento possono essere estratte convertendoil solo header e lasciando così il payload intatto nel dominio ottico[18].1.5.2 Optical Label Switching OLSQuesta tecnica viene utilizzata per costruire su una rete a pacchetto diversereti virtuali indipendenti e reciprocamente impermeabili. A ciascun pacchetto
  30. 30. 16 Le reti otticheviene aggiunta una etichetta che lo identica come appartenente ad una parti-colare rete virtuale, e potrà essere consegnato solo se il destinatario appartienealla stessa rete virtuale. Tra gli esempi, le VLAN su Ethernet (802.11q) e MultiProtocol Label Switching (MPLS), che è un meccanismo che crea reti privatevirtuali su tecnologie eterogenee, tipicamente utilizzato dai provider[18]. Figura 1.12: Modulazione della etichetta nel pacchetto ottico [18]FunzionamentoNellOLS si posiziona dunque una label (con le informazioni di switching per inodi ottici) ad una sottofrequenza della portante come mostrato in 1.12. Cosìfacendo le informazioni possono essere estratte convertendo (elettronicamente)il solo header lasciando il payload nel dominio ottico.1.5.3 Il pacchetto otticoQuando trasmettiamo i pacchetti nel dominio ottico, dobbiamo denire anchequale forma hanno i dati inviati. Una proposta che tende a modellare unaversione ottica della cella ATM prevede che il pacchetto sia composto da quat-tro componenti fondamentali, un header con le informazioni di label switchingper linstradamento ottico, il payload e due bande di guardia (guard bands ) chefacilitano nella individuazione delle due sezioni durante lanalisi del segnale[18]come mostrato in 1.13. Come si evince in gura, le due sezioni importanti sono lheader e il pay-load. Mentre questultimo rappresenta un incapsulamento delle informazioniche viaggiano ad un livello superiore a quello di trasporto su bra ottica,tutte le informazioni che riguardano linstradamento dei pacchetti in OPS sonocontenute nellheader, che è composto da diversi campi[19]: • Sync: Contiene dei bit di sincronizzazione.
  31. 31. 1.5. Optical Packet Switching (OPS) 17Figura 1.13: Struttura del pacchetto ottico secondo proposta OPATM/KEOPS • Source Label: Etichetta del nodo sorgente del pacchetto. • Destination Label: Etichetta del nodo destinazione del pacchetto. • Type: Tipo e priorità del payload trasportato. • Sequence Number: Numero sequenziale del pacchetto per riordinare i pacchetti allarrivo e garantire una consegna in ordine. • OAM: Operation, Administration, Maintenance. • HEC: Head Error Correction.1.5.4 Categorie di reti OPSEsistono fondamentalmente due grandi famiglie di reti OPS, le prime detteSlotted OPS Networks suddividono il tempo in slot di dimenione ssa al cuiinterno possono presentarsi o meno dei pacchetti, e reti di tipo UnslottedOPS Networks in cui abbiamo un approccio meno rigido in cui ogni pacchet-to è considerato al suo istante di arrivo. Vediamo ora in dettaglio le duecateogrie[20].Slotted OPS networksNelle reti OPS di tipo slotted i pacchetti che viaggiano allinterno sono didimensione ssa e sono posizionati allinterno di intervalli di tempo pressatidetti time slots. Ogni time slot può contenere un singolo paccheto (compostocome visto da header, payload e le bande di guardia addizionali). I nodi suquesta tipologia di rete lavorano in maniera sincrona mantenendo i conni deitime slot allineati fra loro. Inoltre luso di switch sincroni in reti di tipo slottedci permette di dover risolvere un minor numero di contese tra pacchetti (datoche questi sono di lunghezza ssa e vengono inoltrati insieme con i limiti deglislot allineati) oltre a poter portare pacchetti già nativamente di dimensionessa (come ad esempio nelle celle ATM). Come contro questa tipologia richiedelallineamento dei pacchetti e uno stadio di sincronizzazione[20].
  32. 32. 18 Le reti otticheUnslotted OPS networksNelle reti OPS di tipo unslotted i pacchetti che viaggiano allinterno possonoessere di dimensione variabile, e il tempo non è suddiviso in slot. I nodi suquesta tipologia di rete lavorano in maniera asincrona senza alcun requisito diallineamento. Inoltre luuso di switch di tipo asincrono in reti di tipo unslottedci permette di evitare la segmentazione e il riassemblamento dei pacchetti sia iningresso sia in uscita dai nodi, è in grado di trasportare pacchetti di dimensionevariabile (ad es. su protocollo IP) ma presenta un numero maggiore di conteseda risolvere[20].1.5.5 Content ResolutionUno dei principali problemi dellapproccio di tipo Optical Packet Switching(OPS) è la così detta Contention Resolution (o risoluzione di contesa) che siverica quando due o più pacchetti competono per la stessa risorsa (nel casoottico stessa bra e lunghezza donda) allo stesso istante[20]. Questo problemapuò essere arontato e risolto in diversi domini: • Spazio • Tempo • Frequenza o più propriamente lunghezza donda • ... Mentre però nella commutazione di pacchetto su dominio elettromagneti-co Electronic Packet Switching (EPS)) il problema della contesa è aontatooperando nel dominio del tempo usando delle memorie RAM come code, inambito ottico Optical Packet Switching (OPS)) questo approccio si scontracon un limite tecnologico tuttora irrisolto. Ad oggi infatti non si è riuscitiad implementare un componente che agisca come memoria ottica, in modoequivalente alle RAM elettroniche, e per ovviare a questa carenza si ricorre adelle linee di ritardo che permettano alla logica di instradamento di stabilireil percorso ritardando al proprio interno il usso dati, no a quando lelabo-razione e il percorso di uscita non siano stabiliti. Questi componenti prendonoil nome di Fiber Delay Line (FDL). Inoltre le FDL orono solo valori di ritardodiscreti e in numero limitato e contribuiscono ulteriormente al degrado dellaqualità del segnale. Daltra parte però lapproccio OPS permette di arontarela contesa nel dominio delle lunghezze donda (wavelength domain ) sfruttandole proprietà della wavelength conversion. Mediante dei particolari dispositivi
  33. 33. 1.5. Optical Packet Switching (OPS) 19detti Wavelength Converter (WC) è possibile, in caso di contesa sulla stes-sa lunghezza donda, far variare la lunghezza donda di appartenenza di unpacchetto risolvendo così la contesa. Purtroppo i WC sono componenti moltocomplessi e costosi e, come vedremo, il loro utilizzo è molto razionalizzato nellearchitetture di commutazione alla base delle reti ottiche[20].1.5.6 Riessioni sulluso di OPSLe caratteristiche che fanno di OLS una tecnica vincente sono da ricercarenei suoi punti di forza. OLS permette luso di una singola tecnologia (quellaottica) tra le end-stations della rete, quando un pacchetto lascia un host edentra in una rete ottica gestita da OLS esso vede solo un unica lunga braottica che lo conduce alluscita alla rete di destinazione. Questò è conces-so grazie al disaccoppiamento tra data payload e header informations spessotrasmessi a dierenti livelli di bit rate (per facilitare il processamento elettron-ico dellheader). Inoltre i pacchetti che vengono inoltrati attraverso uno stessopercorso (path) sperimentano lo stesso ritardo, e se un pacchetto è bloccatoad un determinato nodo può essere rediretto ad un altro percorso o buttatovia (dropped ). Inoltre OLS introduce delle informazioni per il timing consid-eration. Il contention control (controllo sulla contesa) è eettuato mediante ladeviazione su un altra lunghezza donda. Ovvero quando dei pacchetti prove-nienti da molteplici utenti arrivano allo switch node allo stesso tempo, possoindirizzare un pacchettoa ad una lunghezza donda meno sovraccarica. Per quanto riguarda limpatto a livello tecnologico ed economico luso diOLS ore numerosi vantaggi. Ad esempio il suo uso permette di colmare ilgap tra luso di IP nelle normali reti e la tecnica OLS delle dorsali ottichenei punti di contatto fra queste, sostituisce lesistente topologia ad anello delleMAN con quella a optical switching, fornirà la base per i servizi della prossimagenerazione e semplicherà i costi di gestione per i service provider (veloci esemplici da gestire) Riassumendo abbiamo visto che la tecnica di electrical packet switching nonè compatibile con la trasmissione su tecnologia ottica rendendo necessario lusodella tecnica detta di Optical Label Packet Switching (OLPS) che ci permettedi evitare le conversioni di tipo OEO (prestazioni) garantendo al tempo stessola compatibilità con numerosi layer protocols (mediante OLS). Inoltre OLPS ècompatibile con la multiplazione in tecnica WDM fornendo dei miglioramentiprestazionali e, sulla giusta scala, economico in rapporto ad un proporzionaleincremento della complessità[8].
  34. 34. 20 Le reti ottiche
  35. 35. Capitolo 2Architetture per router ottici Bisogna stare attenti agli ingegneri. Cominciano con le macchine da cucire e niscono con la bomba atomica. Marcel Pagnol, scrittore e regista francese. (1895 - 1974) Esistono dierenti approcci nella progettazione di architetture per reti ot-tiche. Tutto ruota intorno alle necessità di progetto e alle speciche in terminidi prestazioni, funzionalità e costi. Essendo la tecnologia ottica ancora in unostadio precedente alla diusione su larga scala il prezzo dei singoli componen-ti è ancora particolarmente elevato e questo spesso spinge alla progettazionedi architetture che condividano il più possibile luso di questi dispositivi, inun ottica di contenimento dei costi. In un approccio invece più orientato allafornitura di servizi con elevata Quality of Service (QoS), in cui è importantegarantire la presenza di ussi dati di tipo burst o pacchetti, senza avere vin-coli e limitazioni nelluso di componenti ottici, allora aorano architetture piùcomplete ma più costose. E proprio in questo caso dove risulterebbe utile unapiattaforma per il collaudo e la valutazione dellarchitettura proposta primadella sua realizzazione e quindi dellacquisto dei componenti che la realizzano.Introdurremo ora una generica architettura di router per reti ottiche OPS, inmodo da introdurre i principali componenti in gioco, le tecnologie con cui ven-gono implementati e i rispettivi ruoli per poi presentare una carrellata delleprincipali architetture note in letteratura.
  36. 36. 22 Architetture per router ottici2.1 Generica architettura di un router otticoPrima di analizzare a fondo le caratteristiche e le diverse potenzialità dellevarie architetture, introduciamo una schematizzazione della struttura di basedi uno di questi nodi per reti ottiche in modo da presentare i componentiprincipali e i loro ruoli allinterno del meccanismo di interconnessione svoltodal nodo stesso. Figura 2.1: Una generica architettura per router ottici Come visibile in gura 2.1, larchitettura di base si compone di diverseunità o blocchi. Linterfaccia di ingresso, quella di uscita, la matrice di commu-tazione, uno stadio di buering e un unità di controllo. Nel seguito forniremonozione dei principali ruoli di queste unità nel processamento dei pacchetti ot-tici allinterno del router al ne di chiarire meglio le interazioni che avvengonotra queste ed il percorso del traco attraverso il nodo.2.1.1 Input InterfaceLinterfaccia di ingresso è il primo componente del router ottico che vieneattraversato dal traco in arrivo. Qui le informazioni vengono identicate,misurate e preparate al processamento nel nodo. In particolare possiamoidenticare tre distinte fasi: • Delineazione del pacchetto • Sincronizzazione • Pre-processamento dellheaderDelineazione del pacchettoIn questa fase linterfaccia di ingresso identica linizio e la ne del pacchetto,ed in particolare dellheader e del payload che lo compongono grazie allaiuto
  37. 37. 2.1. Generica architettura di un router ottico 23delle due guard band concepite per favorire questo scopo. Questa operazionesepara quindi le informazioni di routing dal carico pagante operando la primagrande distinzione tra piano dati e piano di controllo. A livello di potenza, ladelineazione dellheader e la sua successiva divisione dal payload non comportauna perdita signicativa in termini di potenza globale del segnale. In questo la-voro quindi, come dettagliato in seguito non si terrà conto di questa variazioneanche se in futuro, in una versione maggiormente dettagliata della correnteimplementazione, questa modellazione può essere facilmente considerata.Sincronizzazione (solo in switch sincroni)Solo per quanto riguarda gli switch basati su un meccanismo di tipo slotted sin-crono è prevista una fase di sincronizzazione ed allineamento dei pacchetti chearrivano da dierenti lunghezze donda e dierenti bre di ingresso, consideratiallinterno dello stesso timeslot.Pre-processamento dellheaderPrima di lasciare linterfaccia di ingresso il pacchetto è dunque separato dalpayload come accennato, successivamente convertito dal dominio ottico a quel-lo elettronico mediante un convertitore di tipo Optical-Electrical (OE), quindidecodicato e inoltrato allunità di controllo per il processamento elettroni-co. Il payload invece, separato dallheader ma ancora nel dominio ottico vieneposto in ingresso alla matrice di commutazione, o meglio nel buer ad es-sa collegata, in attesa del processamento delle informazioni di routing che loriguardano.2.1.2 Control UnitLunità di controllo è il secondo componente in ordine di processamento allin-terno del nodo, che si pone però su un piano diverso da quello dei dati noracoinvolto, e attiene più propriamente al piano detto, appunto, di controllo.Qui le informazioni contenute nellheader arrivano in forma elettronica, quindisono più facili da elaborare grazie ai paradigmi, alle tecnologie e agli algoritmidi scheduling noti e disponibili da tempo in ambito elettronico ed informatico,a dierenza delle neo tecnologie in ambito ottico. Queste informazioni, elab-orate per risolvere le necessità del traco in termini di qualità e destinazioneda raggiungere, determinano quindi la congurazione della matrice di commu-tazione. Qui si delina dunque un punto di contatto tra il piano di controllo(decisionale) e il piano dati (attuatore). Si vedrà in seguito come alcune rac-comandazioni di enti internazionali stiano denendo e cercando uno standard
  38. 38. 24 Architetture per router otticiper questa interazione. Una volta quindi processate le informazioni di rout-ing e opportunamente congurata la matrice per il pacchetto in esame, il suoheader viene aggiornato con le nuove informazioni che gli saranno necessariealluscita dal nodo per dialogare con il prossimo intermediario nel percorso trail mittente e il destinatario, e spedito allinterfaccia di uscita.2.1.3 BuerQuesta unità in realtà, in base alle diverse architetture, può far parte o menodella matrice di commutazione, ed esservi posta in incipit o in uscita dalla stes-sa. La sua funzione però non cambia a prescindere dal suo posizionamento.Allinterno di questa unità infatti il payload è in attesa che lunità di con-trollo conguri opportunamente la matrice di commutazione nei termini deidispositivi interessati, secondo le informazioni presenti nel suo header. Questaattesa, ssa o con una componente variabile, sempre in base alle varie architet-ture disponibili, è realizzata in ambito ottico mediante delle Fiber Delay Lines(FDL), componenti che ritardano il segnale ottico che le attraversa di un cer-to valore. Come accennato il ruolo che nel dominio elettronico è adato adelle memorie RAM qui è svolto da questi componenti, se pur in maniera nonproprio analoga.2.1.4 Switching MatrixLa matrice di commutazione ottica è il componente più complesso e caratter-izzante dellintera architettura. Introdurremo qui solo le nozioni base dellalogica di funzionamento rimandando un dettagliato approfondimento sui com-ponenti interni della struttura che ne delineano il funzionamento nel prossimocapitolo. La matrice di commutazione inoltra il payload attraverso i suoi dis-positivi interni in accordo alle direttive ricevute dallunità di controllo con loscopo di convogliare il traco in ingresso verso le sue uscite cercando ove possi-bile di risolvere eventuali contese mediante la conversione su lunghezze dondadierenti.2.1.5 Output InterfacesLinterfaccia di uscita è lultimo componente del router ottico che viene at-traversato dal traco che attraversa il nodo. Qui le informazioni aggiornateprovenienti da piano di controllo e quelle in uscita dalla matrice di commu-tazione vengono riunite, misurate e preparate a lasciare il nodo. In particolarepossiamo identicare tre distinte fasi, mostrate di seguito.
  39. 39. 2.2. La matrice di commutazione ottica 25Aggiornamento dellheaderInnanzitutto lheader aggiornato proveniente dallunità di controllo viene ri-convertito al dominio ottico mediante un convertitore di tipo Electrical-Optical(EO). Successivamente questo viene unito al payload proveniente dalla ma-trice di commutazione ricreando così il pacchetto ottico iniziale, aggiornatoperò nelle sue informazioni di instradamento ed inoltro. In questa operazionevengono sempre inserite le due guard band per distinguere le varie parti delsegnale prima di spedirlo verso luscita.Rigenerazione 3RAllinterno dellinterfaccia di uscita eettua spesso una rigenerazione del seg-nale ottico in termini di amplicazione di potenza, squadratura del segnale etemporizzazione. Questa operazione è detta rigenerazione 3R dalle iniziali ininglese delle tre operazioni reamplication, reshaping e retiming.Sincronizzazione (solo in switch sincroni)Solo per quanto riguarda gli switch basati su un meccanismo di tipo slotted sin-crono è prevista una fase di sincronizzazione ed allineamento dei pacchetti chearrivano da dierenti lunghezze donda per dierenti bre di uscita, consideratiallinterno dello stesso timeslot.2.2 La matrice di commutazione otticaCome già accennato la matrice di commutazione ottica è il componente piùcomplesso e che realmente dierenzia le deiverse architetture. Forniremo orauna descrizione di base dei principali componenti che costituiscono questo com-plesso dispositivo al ne di chiarire le dinamiche e le principali dierenze trale varie architetture proposte nel prossimo capitolo.2.2.1 Erbium-Doped Fiber Ampliers (EDFA)Questo dispositivo è lamplicatore più distribuito per le soluzioni in braottica, e la sua nestra di amplicazione coincide con la terza nestra ditrasmissione del silicio sulla bra ottica [2].
  40. 40. 26 Architetture per router ottici Figura 2.2: Simbolo graco di un amplicatore EDFA2.2.2 WDM DemultiplexerQuesto componente è in grado di ripartire il segnale ottico presente su unasingola bra ottica in ingresso, nelle sue W componenti pari alle lunghezzedonda presenti. Figura 2.3: Simbolo graco di un demultiplatore WDM Grazie a questa demultiplazione si è in grado di manipolare le singolelunghezze donda, e quindi le informazioni presenti sulla stessa, senza pre-occuparsi della contemporanea presenza di ulteriori segnali presenti ad altrefrequenze o lunghezze donda.2.2.3 Fiber Delay Line (FDL)Un buer ottico è un dispositivo che è in grado di immagazzinare temporanea-mente la luce. Proprio come nel caso di un normale buer standard, è unsupporto di memorizzazione che consente la compensazione nella dierenzadei tempi del vericarsi degli eventi. Più precisamente, un buer ottico è ingrado di memorizzare i dati trasmessi otticamente, senza la conversione al do-minio elettrico. Inoltre le operazioni di processamento elettronico sono il verocollo di bottiglia dellOPS, oltre al problema della generazione delle contese. Figura 2.4: Simbolo graco di una FDL
  41. 41. 2.2. La matrice di commutazione ottica 27 Ogni volta che due o più pacchetti di dati arrivano ad un nodo della rete,nello stesso istante e contendono per la stessa uscita, si verica una situazionedi contesa. La scelta più ovvia ma meno performante sarebbe quella di ab-bandonare tutti i pacchetti in eccesso, ma si possono applicare in genere tresoluzioni: il buering, deection routing o la conversione di lunghezza don-da. Il buering ottico utilizza delle linee di ritardo in bra o Fiber DelayLine (FDL) per ritardare la luce, ed è considerato come il più ecace. Sic-come la luce non può essere congelata, un buer ottico è costituito da breottiche, ed è generalmente molto più grande di un chip di memoria RAM dicapacità comparabile. Una singola bra può servire come un buer. Tuttavia,una serie di più di solito è usato. Una possibilità, per esempio, è quello discegliere un certo T per la bra più piccola, e poi lasciare che il secondo, terzo,. . . hanno lunghezze 2T, 3T, . . . . Un altro esempio tipico è quello di utilizzareun ciclo unico, in cui i dati circola un numero variabile di volte. [2]2.2.4 Wavelength Converter (WC)Un dispositivo in grado di convertire la lunghezza donda di appartenenza delsengale di ingresso ad unaltra lunghezza donda in uscita è detto convertitoredi lunghezza donda o più propriamente Wavelength Converter o WC. Figura 2.5: Simbolo graco di un convertitore WC Il classico convertitore di lunghezza donda è costituito da uno schermo dimateriale luminescente, che assorbe le radiazioni luminose e le irradia in unlunghezza donda superiore. Esistono dierenti tipologie di convertitori in basealla varietà.Fixed-input Tunable-output Wavelength Converter (FTWC)Convertitore che accetta solo un determinata lunghezza donda ssa in ingressomentre permette di convertirla verso luscita su una qualsiasi altra lunghezzadonda. Rappresenta il più economico dei dispostivi della sua categoria.Tunable-input Tunable-output Wavelength Converter (TTWC)Convertitore che accetta in ingresso una qualsiasi lunghezza donda e permettedi convertirla verso luscita su una qualsiasi altra lunghezza donda. Più costoso
  42. 42. 28 Architetture per router otticidei precedenti, permette però luso di un singolo dispositivo per un insieme dilunghezze donda al posto di W dispositivi di tipo FTWC.2.2.5 SplitterGrazie a questo dispositivo il segnale in ingresso proveniente da una singolabra ottica può essere riprodotto, e quindi duplicato, verso un numero N dicopie in uscita. Figura 2.6: Simbolo graco di uno splitter A livello di caratterizzazione di potenza è ovvio che la duplicazione delsegnale ne comporta anche una sua attenuazione proporzionale al numero dicopie in uscita dal dispositivo. Lentità di questa attenuazione è pari al valoreespresso nel modello dalla formula di attenuazione ideale: attenuazione = 10log10 N2.2.6 SwitchesI veri dispositivi alla base del meccanismo di commutazione allinterno dellamatrice sono i cosidetti switch o interuttori. Questi componenti sono in gradodi inoltrare o bloccare in base al loro stato (chiuso/aperto o ON/OFF) ilpassaggio dellinformazione attraverso di loro. Esistono dunque tecnologie emeccanismi dierenti per realizzare tali dispositivi, ognuno dei quali presentadierenti caratteristiche e prestazioni in termini di velocità di commutazionedello stato, consumi e costi di realizzazione. Accenniamo ora due delle tecnichebase per la costruzione degli switch allinterno della matrice di commutazione.Semiconductor Optical Amplier (SOA)Gli amplicatori ottici a semiconduttore sono dei dispositivi che utilizzanoun semiconduttore come mezzo per fornire il guadagno di potenza del segnale.Amplicatori di questo tipo vengono utilizzati nei sistemi di telecomunicazione
  43. 43. 2.2. La matrice di commutazione ottica 29sia come puri e semplici amplicatori, sia come dispositivi interuttori. Tipica-mente operano a lunghezze donda del segnale tra 0,85 micron e 1,6 micron esono in grado di generare un guadagno no a 30 dB[7]. Figura 2.7: Simbolo graco di un SOA Lamplicatore ottico a semiconduttore è tipicamente di piccole dimensioni,e questo favorisce il processo di integrazione dei componenti nella matricee inoltre è comandato (pompato) elettricamente. A certi livelli di scala, ilSOA risulta meno costoso di un EDFA e può essere integrato con laser asemiconduttore, modulatori, e altri dispositivi, tuttavia, le prestazioni nonsono ancora paragonabili a quelle di un EDFA. Infatti un SOA genera unrumore più alto e fornisce un minore guadagno. Ciò deriva dal tempo di vitadello stato, che dura approssimativamente qualche nanosecondo o poco più,ed è proprio per questo che il guadagno reagisce rapidamente alle variazioni dipotenza del segnale che possono causare cambiamenti di fase e dar luogo adalterazione dei segnali.Micro-Electro-Mechanical Systems (MEMS)Con questo termine si racchiude tutta la tecnologia dellinnitamente picco-lo, che porta a scala micrometrica i sistemi elettromeccanici. I MEMS sonoanche denominati micromacchine o Micro Systems Technology (MST) e sonocostituiti da componenti da 1 a 100 micrometri in termini di dimensioni (valea dire 0,001-0,1 mm) e i dispositivi in generale variano nel formato da 20 mi-crometri (20 milionesimi di metro), a un millimetro[2]. In ambito ottico questidispositivi vengono utilizzati per creare array di micro specchi riettenti usatipoi come dispositivi interuttori. Figura 2.8: Simbolo graco di un MEMS ad uso ottico
  44. 44. 30 Architetture per router ottici2.2.7 WDM MultiplexerQuesto componente è in grado di ricomporre a partire dalle sue W componentipari alle lunghezze donda presenti, il segnale ottico da presentare in uscita Figura 2.9: Simbolo graco di un multiplatore WDM Grazie a questa multiplazione si è in grado di rigenerare il segnale ottico datrasmettere in uscita con tutte le proprietà e le potenzialità che la tecnica dimultiplazione WDM garantisce per la trasmissione dei dati a lunga distanza.2.2.8 CombinerGrazie a questo dispositivo il segnale in ingresso disponibile su M copie puòessere ricombinato per tornare, in uscita, sotto forma di un singolo segnaleottico. Figura 2.10: Simbolo graco di un combiner Anche qui a livello di caratterizzazione di potenza la riduzione dei sengaline comporta anche una sua attenuazione proporzionale al numero di copiepresenti in ingresso al dispositivo. Lentità di questa attenuazione è pari alvalore espresso nel modello dalla formula di attenuazione ideale: attenuazione = 10log10 M
  45. 45. 2.3. Shared Architectures 312.3 Shared ArchitecturesCome abbiamo visto in ambito ottico il problema della contesa (content reso-lution ) si aronta nel dominio delle lunghezze donda sfruttando le proprietàdella wavelength conversion. Dato però che i WC sono componenti complessi ecostosi, molte delle architetture proposte dalla comunità di ricerca consideranoche i WC siano condivisi il più possibile in diverse modalità, allinterno di unnodo ottico, per garantire il risparmio sul costo di costruzione del dispositivo.Le tre principali modalità di condivisione, mostrate anche in [4] sono: • Shared-Per-Node (SPN) • Shared-Per-Link (SPL) • Shared-Per-Wavelength (SPW)2.3.1 Shared-Per-Node (SPN)Questa soluzione prevede che un insieme di WC sia completamente condi-viso tra tutti i canali in ingresso (input channels ). Questo schema richiedeperò luso di convertitori di tipo Tunable-input Tunable-output WavelengthConverter (TTWC) che consentano ad un pacchetto appartenenete ad unaqualsiasi lunghezza donda di poter usare uno qualsiasi dei convertitori disponi-bili ed essere convertito su una qualsiasi lunghezza donda in uscita. Questi par-ticolari convertitori sono molto costosi e compessi proprio perchè permettonodi variare a piacimento le lunghezze donda di ingresso e di uscita[4].2.3.2 Shared-Per-Link (SPL)In questo schema i convertitori sono condivisi per bra di uscita (output ber ).Anche questo schema richiede però luso di convertitori di tipo Tunable-inputTunable-output Wavelength Converter (TTWC) costosi e molto complessi[4].2.3.3 Shared-Per-Wavelength (SPW)Recentemente è stato proposto un nuovo schema di utilizzo dei convertitori,qui sono condivisi per lunghezza donda (da cui il nome). In questa cong-urazione possiamo usare dei convertitori di tipo Fixed-input Tunable-outputWavelength Converter (FTWC) meno complessi e più economici dei TTWC inquanto impostati su una determinata lunghezza donda di ingresso, pur man-tenendo la capacità di conversione verso qualsiasi altra lunghezza donda di
  46. 46. 32 Architetture per router otticiuscita. Questa soluzione permette con un limitato numero di WC può garan-tire le stesse performance del caso in cui abbia a disposizione un numero diconvertitori tale da coprire ogni evenienza, gsrantendo così un risparmio sulcosto del dispositivo[4]. Figura 2.11: Architettura di riferimento SPW Come si evince in gura 2.11 larchitettura base è composta da: • N Input ber Interfaces (II) ognuna contenente un segnale multiplexato mediante tecnica WDM (su singola bra) con M lunghezze donda • N Output ber Interface (OI) ognuna contenente un segnale multiplexato mediante tecnica WDM (su singola bra) con M lunghezze donda • N Demodulatori 1:M che scindono il segnale WDM nelle sue M compo- nenti (lambda1, . . . , lambdam) • N Space Fabric • M Insiemi dierenti ognugno formato da B ( N) Wavelength Converter (WC) per un totale di M*B WC. Ogni insieme degli M presenti ha in ingresso segnali con la stessa lunghezza donda quindi può usare dei FTWC
  47. 47. 2.4. Larchitettura Broadcast-and-Select 33 Come accennato in precedenza questo schema garantisce una serie di van-taggi, a cominciare dalluso di convertitori del tipo FTWC, oltre alla possibilitàdi organizzare la componente di switch in maniera meno onerosa in quanto èpossibile usare M piccoli switch fabric per ogni lunghezza donda al posto diun singolo grande switching fabric necessario nellapproccio SPN. La perdi-ta di pacchetti può avvenire per output blocking (se non abbiamo abbastanzalunghezze donda nella OI di destinazione per accomodare tutti i pacchetti adessa indirizzati) o per inability to convert o inabilità a convertire il pacchettoper carenza di converitori[4].2.4 Larchitettura Broadcast-and-SelectSeppur interessanti e ecenti dal punto di vista del risparmio sui costi questearchitetture non consentono una adeguata gestione di traci dierenziati pertipologia e basati su livelli di servizio. In contrapposizione alle soluzionipresentate vi è una architettura che rientra nella denizione Broadcast-and-Select (BaS). In questa architettura le informazioni vengono propagate a tuttele interfacce di uscita del nodo verso cui il percorso è ostacolato solo da alcu-ni dispositivi in grado di comportarsi come interruttori ottici, permettendo alsegnale di passare o meno in base al loro stato [5]. Figura 2.12: Tipologie di architettura Broadcast-and-Select. Congurando opportunamente questi dispositivi, ovvero la matrice di com-mutazione ottica, secondo le direttive fornite dal piano di controllo secondolalgoritmo di scheduling utilizzato è possibile attivare o disattivare gli inter-
  48. 48. 34 Architetture per router otticiruttori ottici in modo da instrdare i pacchetti nei percorsi voluti rispettandolordine e le contese. In gura 2.12 è possibile osservare la struttura di una rete di Broadcast-and-Select (BaS) tipica di un nodo centrale di una rete ottica (possibilmenteanche multi-granulare). Larchitettura dispone di N bre di input/output chetrasportano un segnale WDM a M lunghezze donda. Questo tipo di architet-tura è stato studiato molto in passato in una congurazione con una solatipologia di interruttori ottici mentre qui viene proposta una architettura condispositivi veloci (fast ) e dispositivi lenti (slow ) come SOA e MEMS, fornendocosì buone prestazioni e garantendo la scalabilità del nodo, pur mantenendo ilcosto della scalabilità più basso possibile. In questo esempio F lughezze dondasono connesse ai dispositivi veloci, mentre M - F a dispositivi lenti. Larchitet-tura BaS fornisce alcuni vantaggi rispetto ad altre soluzioni. Innanzituttosupporta facilmente le comunicazioni di tipo multicast e broadcast inoltre laswitching fabric è implementata sfruttando i dispositivi ottici come sempliciinterruttori ON/OFF. Così facendo non si ha più bisogno di switching elementsdi grandi dimensioni, costosi e poco scalabili. Larchitettura così proprosta èbloccante sulle lunghezze donda ovvero se due segnali arrivano allo switch dainput dierenti sulla stessa lunghezza donda non possono essere inoltrati allastessa bra di uscita a causa di collisione nello stesso canale. Questa sceltalimita molto le performance del nodo, per far fronte a questo si è pensato diintrodurre dei componenti in grado di eettuare la conversione di lunghezzadonda sui segnali in arrivo in modo da risolvere quando possibile le contesesui canali. Nella gura 2.12 (b) è visibile un ulteriore pre-stadio con M Fixed-input Tunable-output Wavelength Converter (FTWC)[5]. Non limitando lusodi dispositivi questa soluzione può risultare più dispendiosa, ma garantisce unalto supporto a quei meccanismi che consentono la trasmissione ecente ditraco altamente basato su livelli di Quality of Service (QoS).
  49. 49. Capitolo 3Un modello software di routerottico Raramente si migliora se non si ha altro modello da imitare che se stessi. Oliver Goldsmith, scrittore e drammaturgo irlandese. (1730 - 1774) Lutilizzo delle reti in bra ottica sta raggiungendo una diusione semprepiù capillare nel mondo delle telecomunicazioni. Purtroppo il punto a svan-taggio di tale soluzione è lelevato costo di un singolo nodo di commutazioneche raggiunge le diverse decine di migliaia di dollari rendendone giustica-to lacquisto solo per reti metropolitane o strutture molto ampie. Da questapremessa emerge la necessità, per avere una piattaforma di studio della tec-nologia, di poter in qualche modo emulare un tale dispositivo mediante unamodellazione il più reale possibile, e possibilmente conforme alle Request ForComments (RFC) relative, in modo da poterlo implementare mediante deglistrumenti software che, opportunamente installati su hardware dedicati, costi-tuiscano un banco di prova con prestazioni vicine alloriginale ma a costi moltopiù contenuti.3.1 Architetture multi-granulariUna risposta alla richiesta di essibilità della rete avanzata dalle necessità dellemoderne applicazioni in termini di banda, QoS e troughput può trovarsi nellecosì dette multi-granular optical networks. Queste particolari reti ottiche per-mettono di sfruttare diverse granularità nel trasporto del traco e sono una
  50. 50. 36 Un modello software di router otticosoluzione chiave per servizi di alta prestazioni dinamiche di rete, nello sce-nario futuro di Internet. In questottica lidea di sviluppare un framework diemulazione per sostenere delle prove di prototipazione rapida permettendo diprendere in considerazione linterazione tra le diverse entità del nodo, diventalo scopo principale di questo lavoro[5]. Larchittetura introdotta inoltre devesupportare il concetto di nodo ottico programmabile, ovvero denire una pi-attaforma software e hardware che semplichi il controllo della rete, la suariprogrammazione (a livello logico, come ad esempio la sua topologia) e garan-tire la trasparenza del servizio traducendo le tecnologie informatiche specicheper una determinata tecnologia, rendendola indipendente sul piano astrattoe logico. Questo consentirà un uso essibile ed ecente delle risorse di rete,insieme al soddisfacimento dei bisogni delle applicazioni. La progettazione diun tale nodo programmabile permetterà la possibilità di orire una gestionemulti-servizio e multi-provider dello switch, e della relativa interfaccia con unpiano di controllo migliorato per supportare servizi multi-granulari[5].Figura 3.1: La programmable node architecture basata sulla raccomandazioneForCES come mostrata in [5] Il percorso tracciato in Forwarding and Control Element Separation (ForCES)denita nella RFC 3746 rappresenta una serie di raccomandazioni in grado didenire un framework per la separazione nel piano di controllo di un router ot-tico degli elementi di controllo Control Element (CE) e di inoltro ForwardingElement (FE) denendo inoltre un protocollo standard per lo scambio delle
  51. 51. 3.2. Larchitettura proposta 37informazioni tra CE e FE. Questo concetto permette di rimpiazzare la co-municazione tra i moduli basata ora su standard proprietari trasformando lenetwork boxes in sistemi multi-vendor con i sottosistemi di controllo ed in-oltro sviluppabili ed evolbibili separatamente[5]. Il lavoro svolto dal gruppodi ricerca del relatore e dei correlatori di questa tesi mira ad introdurre unulteriore modularizzazione del sistema denito nella raccomandazione ForCESnel cosidetto Forwarding Module (FM). Questo componente tende ad esseretotalmente congurabile da ogni Internet Service Provider (ISP) per le propriespeciche necessità di traco tramite il CE e il FE. Il FE può inoltre interagirecon moduli software interni al router come meters, shaper e classier in mododa permettere ai dati di essere instradati attraverso il corretto FM in relazionealla classe di servizio cui appartiene il traco.3.2 Larchitettura propostaPresentiamo ora larchitettura base del router ottico implementato nel corso diquesto lavoro. Il nodo deve essere interfacciato a un piano generico di controllodella rete (ad esempio GMPLS) tramite uninterfaccia standard che permetta alnodo di essere controllato da qualsiasi piano di controllo, in modo da garantirela distribuzione e linteroperabilità di rete in contesti diversi. Linterazione trapiano di controllo e di gestione interna del nodo è stata adata allentità che sitrova al livello più alto, il CE. Questo elemento elabora le richieste di servizioprovenienti sui canali di segnalazione e, secondo lapplicazione speciche esi-genze di ogni richiesta in arrivo (ad esempio long-term waveband/wavelengthpath establishment o fast sub-wavelength switching service ), negozia le risorsenecessarie per la trasmissione con lelemento dello strato intermedio, FE. Il FEè incaricato di gestire ed eseguire le operazioni logiche di inoltro internamente,vericando la disponibilità di lunghezze donda di conversione, risoluzione deiconitti, di scheduling di pacchetti o ussi burst. LFE è sempre a conoscenzadello stato attuale delle risorse di trasmissione, e risponde alle interrogazionidel CE secondo la capacità del nodo di soddisfare una richiesta in arrivo [5]. Tuttavia, al ne di essere il più indipendente possibile dalla tecnologia real-izzativa delle risorse di inoltro, il FE deve operare su una astrazione dellhad-ware di attuazione, la cui congurazione sica è quindi delegata ai moduli dilivello inferiore, o Forwarding Module (FM). Ogni FM è incaricato di guidarelattuazione dei dispositivi hardware di uno specico paradigma di commu-tazione in base alle decisioni del FE. Ad esempio, un dato FM sarà dedicatoai dispositivi di commutazione ottica lenta (ad esempio, MEMS), mentre unaltro FM sarà incaricato di ssare i dispositivi di commutazione veloce (ad

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